Anatomia sukcesu x86

Pierwszy, sprzed 30 lat, i współczesny układ x86 – rysunki zachowują proporcję

W ciągu 30 lat struktura procesorów zgodnych z x86 bardzo się zmieniła. Dla porównania zaprezentowany na początku listopada tego roku Intel Quad Core i7 (Nehalem), składa się z czterech procesorów i wkorzystuje megabajty pamięci podręcznej, skracającej czas oczekiwania procesora na dane z pamięci RAM – 64 KB cache L1, 4x256 KB cache L2 , oraz 4x2 MB cache L3 . W pierwszych procesorach x86, w tym Intelu 8088, takiej pamięci w ogóle nie było, a gdy została wprowadzona, miała zaledwie kilka kilobajtów. Co ważne, dzięki zmianom w procesie produkcyjnym z 3 µm na 45 nm, współczesne procesory, choć znacznie bardziej rozbudowane, zajmują relatywnie niewiele więcej miejsca niż poprzednicy.

Narodziny x86

Na bazie procesora Intel 8080 powstał pierwszy układ z rodziny x86 – Intel 8086 (czerwiec 1978 roku). Był to już procesor 16-bitowy, a zajmował powierzchnię 16 mm2. Jego nieco tańszą, okrojoną wersją Intel 8088 – będącą układem 16-bitowym, ale z 8-bitową magistralą danych   – zainteresowała się firma IBM. Zastosowała go w swoim pierwszym komputerze osobistym IBM PC (IBM 5150), zakładając produkcję około 10 tys. maszyn rocznie. IBM PC, który trafił na rynek w 1981 roku, a także jego następcy, łącznie z najnowszymi konstrukcjami, mają otwartą architekturę. Użytkownik może modyfikować, rozbudowywać i rozszerzać możliwości komputera w zależności od potrzeb, przez dołożenie lub wymianę komponentów. W 1981 roku otwarta architektura była absolutną nowością.

Co więcej, IBM PC zbudowany był z komponentów produkowanych przez firmy trzecie. IBM udostępniał też za darmo dokumentację techniczną komputera, co pozwoliło chętnym na produkcję dodatkowych kart rozszerzeń. W efekcie wiele firm zaczęło wytwarzać własne komputery IBM PC, zwane klonami. Ruszyła też masowa produkcja oprogramowania do IBM PC i ich klonów. To wszystko spopularyzowało architekturę x86 i spowodowało, że do dziś z niej korzystamy. Powstała też nowa kategoria komputerów osobistych – pecetów.

Tysiące producentów rozpoczęło masową produkcję pecetów, korzystając z kolejnych generacji procesorów Intela, które są zgodne z poprzednimi układami z rodziny x86. Dzięki temu użytkownicy nowych komputerów mogli pracować na starszych programach. Do dziś na najnowszych układach Intela zgodnych z x86 można uruchomić najstarsze aplikacje z 1981 roku. Nie umożliwia tego w prosty sposób żadna inna platforma.

Od i80286 do Pentium

Kolejnym 16-bitowym procesorem z rodziny x86 był układ Intel 80 286 (1982 r.). Pierwsze wersje miały zegary 6 i 8 MHz, a ostatnie działały już z maksymalną prędkością 25 MHz. W procesorze i286 wprowadzono nowe instrukcje i sposób adresowania pamięci (odnajdywania miejsc, z których procesor pobiera lub wpisuje bajty).
Drugą generację procesorów x86 zapoczątkował w 1985 roku 32-bitowy procesor Intel 80 386, inaczej i386DX, zajmujący 42 mm2. W 1998 roku pojawiła się jego okrojona wersja – 80386SX, a w 1990 roku – Intel 80386SL do notebooków.

Następcą układów Intel 80 386 stała się rodzina procesorów Intel i486 (premiera – 1989 rok). Pod względem modelu oprogramowania i486 był niemal identyczny z układem Intel 80 386 – dodano w nim jedynie kolejne instrukcje. Za to architektura wewnętrzna układu i486 była sporym krokiem naprzód. W procesorze znalazła się po raz pierwszy wspólna pamięć podręczna pierwszego poziomu cache L1 na dane i instrukcje, o pojemności 8 KB, oraz zintegrowany koprocesor arytmetyczny, do obsługi operacji zmiennoprzecinkowych. i486 był dwukrotnie szybszy od taktowanego zbliżonym zegarem układu Intel 80 386. Jako pierwszy spośród układów x86 większość instrukcji wykonywał dokładnie w jednym takcie zegara. i486 był też ostatnim, zawierającym na końcu nazwy cyfry 86, od których zresztą wzięła się nazwa architektury x86.

Kolejną, piątą generację procesorów zgodną z x86 nazwano Pentium – od greckiej liczby pięć (pente). Pierwszy model (1993 rok) oferował około dwukrotnie większą moc obliczeniową niż i486. W Pentium powiększono cache L1 i zmodernizowano jednostkę zmiennoprzecinkową. Procesor pozostał dalej 32-bitowy. Składał się, w uproszczeniu, z połączonych dwóch układów i486, dzięki czemu mógł wykonywać w określonych sytuacjach dwa rozkazy równolegle. Istotna modyfikacja procesora miała miejsce w 1995 roku, kiedy dodano zestaw instrukcji multimedialnych MMX i moduł do ich wykonywania, a procesor otrzymał nazwę Pentium MMX.